為什么大量的人會覺得FPGA難學？這些道理你都知道嗎？

　　目前FPGA的應用主要是三個方向：

　　第一個方向，也是傳統方向主要用于通信設備的高速接口電路設計，這一方向主要是用FPGA處理高速接口的協議，并完成高速的數據收發和交換。這類應用通常要求采用具備高速收發接口的 FPGA，同時要求設計者懂得高速接口電路設計和高速數字電路板級設計，具備EMC/EMI設計知識，以及較好的模擬電路基礎，需要解決在高速收發過程中產生的信號完整性問題。FPGA最初以及到目前最廣的應用就是在通信領域，一方面通信領域需要高速的通信協議處理方式，另一方面通信協議隨時在修改，非常不適合做成專門的芯片。因此能夠靈活改變功能的FPGA就成為首選。到目前為止FPGA的一半以上的應用也是在通信行業。

　　第二個方向，可以稱為數字信號處理方向或者數學計算方向，因為很大程度上這一方向已經大大超出了信號處理的范疇。例如早就在2006年就聽說老美將FPGA用于金融數據分析，后來又見到有將FPGA用于醫學數據分析的案例。在這一方向要求FPGA設計者有一定的數學功底，能夠理解并改進較為復雜的數學算法，并利用FPGA內部的各種資源使之能夠變為實際的運算電路。目前真正投入實用的還是在通信領域的無線信號處理、信道編解碼以及圖像信號處理等領域，其它領域的研究正在開展中，之所以沒有大量實用的主要原因還是因為學金融的、學醫學的不了解這玩意。不過最近發現歐美有很多電子工程、計算機類的博士轉入到金融行業，開展金融信號處理，相信隨著轉入的人增加，FPGA在其它領域的數學計算功能會更好的發揮出來，而我也有意做一些這些方面的研究。不過國內學金融的、學醫的恐怕連數學都很少用到，就不用說用FPGA來幫助他們完成數學_運算了，這個問題只有再議了。

　　第三個方向就是所謂的SOPC方向，其實嚴格意義上來說這個已經在FPGA設計的范疇之內，只不過是利用FPGA這個平臺搭建的一個嵌入式系統的底層硬件環境，然后設計者主要是在上面進行嵌入式軟件開發而已。設計對于FPGA本身的設計時相當少的。但如果涉及到需要在FPGA做專門的算法加速，實際上需要用到第二個方向的知識，而如果需要設計專用的接口電路則需要用到第一個方向的知識。就目前SOPC方向發展其實遠不如第一和第二個方向，其主要原因是因為SOPC以FPGA為主，或者是在FPGA內部的資源實現一個“軟”的處理器，或者是在FPGA內部嵌入一個處理器核。但大多數的嵌入式設計卻是以軟件為核心，以現有的硬件發展情況來看，多數情況下的接口都已經標準化，并不需要那么大的FPGA邏輯資源去設計太過復雜的接口。

　　而且就目前看來SOPC相關的開發工具還非常的不完善，以ARM為代表的各類嵌入式處理器開發工具卻早已深入人心，大多數以ARM為核心的SOC芯片提供了大多數標準的接口，大量成系列的單片機/嵌入式處理器提供了相關行業所需要的硬件加速電路，需要專門定制硬件場合確實很少。

　　通常是在一些特種行業才會在這方面有非常迫切的需求。即使目前Xilinx將ARM的硬核加入到FPGA里面，相信目前的情況不會有太大改觀，不要忘了很多老掉牙的8位單片機還在嵌入式領域混呢，嵌入式主要不是靠硬件的差異而更多的是靠軟件的差異來體現價值的。

　　我曾經看好的是 cypress的Psoc這一想法。和SOPC系列不同，Psoc的思想史載SOC芯片里面去嵌入那么一小塊FPGA，那這樣其實可以滿足嵌入式的那些微小的硬件接口差異，比如某個運用需要4個USB，而通常的處理器不會提供那么多，就可以用這么一塊FPGA來提供多的USB接口。而另一種運用需要6個 UART，也可以用同樣的方法完成。

　　對于嵌入式設計公司來說他們只需要備貨一種芯片，就可以滿足這些設計中各種微小的差異變化。其主要的差異化仍然是通過軟件來完成。但目前cypress過于封閉，如果其采用ARM作為處理器內核，借助其完整的工具鏈。同時開放IP合作，讓大量的第三方為它提供IP設計，其實是很有希望的。但目前cypress的日子怕不太好過，Psoc的思想也不知道何時能夠發光。

　　4、數字邏輯知識是根本。無論是FPGA的哪個方向，都離不開數字邏輯知識的支撐。FPGA說白了是一種實現數字邏輯的方式而已。如果連最基本的數字邏輯的知識都有問題，學習FPGA的愿望只是空中樓閣而已。而這，恰恰是很多菜鳥最不愿意去面對的問題。數字邏輯是任何電子電氣類專業的專業基礎知識，也是必須要學好的一門課。很多人無非是學習了，考個試，完了。

　　如果不能將數字邏輯知識爛熟于心，養成良好的設計習慣，學FPGA到最后仍然是霧里看花水中望月，始終是一場空的。以上四條只是我目前總結菜鳥們在學習FPGA時所最容易跑偏的地方，FPGA的學習其實就像學習圍棋一樣，學會如何在棋盤上落子很容易，成為一位高手卻是難上加難。要真成為李昌鎬那樣的神一般的選手，除了靠刻苦專研，恐怕還確實得要一點天賦。

　　薦讀：如何學習FPGA?為什么你會覺得FPGA難學?

　　1、入門首先要掌握HDL(HDL=verilog+VHDL)

　　第一句話是：還沒學數電的先學數電。然后你可以選擇verilog或者VHDL，有C語言基礎的，建議選擇VHDL。因為verilog太像C了，很容易混淆，最后你會發現，你花了大量時間去區分這兩種語言，而不是在學習如何使用它。當然，你思維能轉得過來，也可以選verilog，畢竟在國內verilog用得比較多。

　　接下來，首先找本實例抄代碼。抄代碼的意義在于熟悉語法規則和編譯器(這里的編譯器是硅編譯器又叫綜合器，常用的編譯器有：Quartus、ISE、Vivado、Design Compiler 、Synopsys的VCS、iverilog、Lattice的Diamond、Microsemi/Actel的Libero、Synplify pro)，然后再模仿著寫，最后不看書也能寫出來。編譯完代碼，就打開RTL圖，看一下綜合出來是什么樣的電路。

　　HDL是硬件描述語言，突出硬件這一特點，所以要用數電的思維去思考HDL，而不是用C語言或者其它高級語言，如果不能理解這句話的，可以看《什么是硬件以及什么是軟件》。在這一階段，推薦的教材是《Verilog傳奇》、《Verilog HDL高級數字設計》或者是《用于邏輯綜合的VHDL》。不看書也能寫出個三段式狀態機就可以進入下一階段了。

　　此外，你手上必須準備Verilog或者VHDL的官方文檔，《verilog_IEEE官方標準手冊-2005_IEEE_P1364》、《IEEE Standard VHDL Language_2008》，以便遇到一些語法問題的時候能查一下。

　　2、獨立完成中小規模的數字電路設計

　　現在，你可以設計一些數字電路了，像交通燈、電子琴、DDS等等，推薦的教材是夏老《Verilog 數字系統設計教程》(第三版)。在這一階段，你要做到的是：給你一個指標要求或者時序圖，你能用HDL設計電路去實現它。這里你需要一塊開發板，可以選Altera的cyclone IV系列，或者Xilinx的Spantan 6。還沒掌握HDL之前千萬不要買開發板，因為你買回來也沒用。這里你沒必要每次編譯通過就下載代碼，咱們用modelsim仿真(此外還有QuestaSim、NC verilog、Diamond的Active-HDL、VCS、Debussy/Verdi等仿真工具)，如果仿真都不能通過那就不用下載了，肯定不行的。在這里先掌握簡單的testbench就可以了。推薦的教材是《WRITING TESTBENCHES Functional Verification of HDL Models》。

　　3、掌握設計方法和設計原則

　　你可能發現你綜合出來的電路盡管沒錯，但有很多警告。這個時候，你得學會同步設計原則、優化電路，是速度優先還是面積優先，時鐘樹應該怎樣設計，怎樣同步兩個異頻時鐘等等。推薦的教材是《FPGA權威指南》、《IP核芯志-數字邏輯設計思想》、《Altera FPGA/CPLD設計》第二版的基礎篇和高級篇兩本。學會加快編譯速度(增量式編譯、LogicLock)，靜態時序分析(timequest)，嵌入式邏輯分析儀(signaltap)就算是通關了。如果有不懂的地方可以暫時跳過，因為這部分還需要足量的實踐，才能有較深刻的理解。

　　4、學會提高開發效率

　　因為Quartus和ISE的編輯器功能太弱，影響了開發效率。所以建議使用Sublime text編輯器中代碼片段的功能，以減少重復性勞動。Modelsim也是常用的仿真工具，學會TCL/TK以編寫適合自己的DO文件，使得仿真變得自動化，推薦的教材是《TCL/TK入門經典》。你可能會手動備份代碼，但是專業人士都是用版本控制器的，所以，為了提高工作效率，必須掌握GIT。文件比較器Beyond Compare也是個比較常用的工具。此外，你也可以使用System Verilog來替代testbench，這樣效率會更高一些。如果你是做IC驗證的，就必須掌握System Verilog和驗證方法學(UVM)。推薦的教材是《Writing Testbenches using SystemVerilog》、《The UVM Primer》、《System Verilog1800-2012語法手冊》。

　　掌握了TCL/TK之后，可以學習虛擬Jtag(ISE也有類似的工具)制作屬于自己的調試工具，此外，有時間的話，最好再學個python。腳本，意味著一勞永逸。

　　5、增強理論基礎

　　這個時候，你已經會使用FPGA了，但是還有很多事情做不了(比如，FIR濾波器、PID算法、OFDM等)，因為理論沒學好。我大概地分幾個方向供大家參考，后面跟的是要掌握的理論課。

　　信號處理——信號與系統、數字信號處理、數字圖像處理、現代數字信號處理、盲信號處理、自適應濾波器原理、雷達信號處理

　　接口應用——如：UART、SPI、IIC、USB、CAN、PCIE、Rapid IO、DDR、TCP/IP、SPI4.2(10G以太網接口)、SATA、光纖、DisplayPort

　　無線通信——信號與系統、數字信號處理、通信原理、移動通信基礎、隨機過程、信息論與編碼

　　CPU設計——計算機組成原理、單片機、計算機體系結構、編譯原理

　　儀器儀表——模擬電子技術、高頻電子線路、電子測量技術、智能儀器原理及應用

　　控制系統——自動控制原理、現代控制理論、過程控制工程、模糊控制器理論與應用

　　壓縮、編碼、加密——數論、抽象代數、現代編碼技術、信息論與編碼、數據壓縮導論、應用密碼學、音頻信息處理技術、數字視頻編碼技術原理

　　現在你發現，原來FPGA會涉及到那么多知識，你可以選一個感興趣的方向，但是工作中很有可能用到其中幾個方向的知識，所以理論還是學得越多越好。如果你要更上一層，數學和英語是不可避免的。

　　6、學會使用MATLAB仿真

　　設計FPGA算法的時候，多多少少都會用到MATLAB，比如CRC的系數矩陣、數字濾波器系數、各種表格和文本處理等。此外，MATLAB還能用于調試HDL(用MATLAB的計算結果跟用HDL算出來的一步步對照，可以知道哪里出問題)。推薦的教材是《MATLAB寶典》和杜勇的《數字濾波器的MATLAB與FPGA實現》。

　　7、足量的實踐

　　這個時候你至少讀過幾遍芯片手冊(官網有)，然后可以針對自己的方向，做一定量的實踐了(期間要保持良好的代碼風格，增加元件例化語句的可讀性，繪制流程圖/時序圖，撰寫文檔的習慣)。比如：通信類的可以做調制解調算法，儀表類的可以做總線分析儀等等。不過這些算法，在書上只是給了個公式、框圖而已，跟實際的差距很大，你甚至會覺得書上的東西都很膚淺。那么，你可以在知網、百度文庫、EETOP論壇、opencores、ChinaAET、Q群共享、博客上面找些相關資料(校外的朋友可以在淘寶買個知網賬號)。其實，當你到了這個階段，你已經達到了職業級水平，有空就多了解一些前沿技術，這將有助于你的職業規劃。

　　在工作當中，或許你需要關注很多協議和行業標準，協議可以在EETOP上面找到，而標準(如：國家標準GB和GB/T，國際標準ISO)就推薦《標準網》和《標準分享網》。

　　8、圖像處理(這部分只寫給想學圖像處理的朋友，也是由淺入深的路線)

　　Photoshop。花一、兩周的時間學習PS，對圖像處理有個大概的了解，知道各種圖片格式、直方圖、色相、通道、濾鏡、拼接等基本概念，并能使用它。這部分是0基礎，目的讓大家對圖像處理有個感性的認識，而不是一上來就各種各樣的公式推導。推薦《Photoshop CS6完全自學教程》。

　　基于MATLAB或OpenCV的圖像處理。有C/C++基礎的可以學習OpenCV，否則的話，建議學MATLAB。這個階段下，只要學會簡單的調用函數即可，暫時不用深究實現的細節。推薦《數字圖像處理matlab版》、《學習OpenCV》。

　　圖像處理的基礎理論。這部分的理論是需要高數、復變、線性代數、信號與系統、數字信號處理等基礎，基礎不好的話，建議先補補基礎再來。看不懂的理論也可以暫時先放下，或許學到后面就自然而然地開竅了。推薦《數字圖像處理》。

　　基于FPGA的圖像處理。把前面學到的理論運用到FPGA上面，如果這時你有前面第七個階段的水平，你將輕松地獨立完成圖像算法設計(圖像處理是離不開接口的，上面第五個階段有講)。推薦《基于FPGA的嵌入式圖像處理系統設計》、《基于FPGA的數字圖像處理原理及應用》。

　　進一步鉆研數學。要在算法上更上一層，必然需要更多的數學，所以這里建議學習實分析、泛涵分析、小波分析等。

　　下面這兩個階段是給感興趣的朋友介紹的。

　9、數電的盡頭是模電

　　現在FPGA內部的事情是難不倒你的，但是信號出了FPGA，你就沒法控制了。這個時候必須學好模電。比如：電路分析、模擬電子技術、高頻電子線路、PCB設計、EMC、SI、PI等等，能設計出一塊帶兩片DDR3的FPGA開發板，就算通關了。

　　10、學無止境

　　能到這個境界，說明你已經很厲害了，但是還有很多東西要學的，因為FPGA常常要跟CPU交互，也就是說你得經常跟軟件工程師交流，所以也得懂點軟件方面的知識。比如ARM(Xilinx的ZYNQ和Altera的SOC會用到ARM的硬核)、DSP、Linux、安卓、上位機(QT、C#、JAVA)都可以學一下，反正學無止境的。

　　11、其它問題

　　a、為什么不推薦學習NIOS II和MicroBlaze等軟核?

　　性價比不高，一般的軟核性能大概跟Cortex M3或M4差不多，用FPGA那么貴的東西去做一個性能一般的CPU，在工程上是非常不劃算的。不如另外加一塊M3。

　　加上軟核，可能會影響到其它的邏輯的功能。這是在資源并不十分充足的情況下，再加上軟核，導致布局布線變得相當困難。

　　軟核不開源，出現Bug的時候，不容易調試。

　　工程上很少使用，極有可能派不上用場。

　　b、為什么不推薦0基礎學習ZYNQ或SOC?

　　容易讓人有傍同心理。傍同心理是指一個人通過渲染與自己有親近關系的人的杰出，來掩蓋和彌補自己在這方面的不足，從而獲得心理上的平衡。自己在學習很厲害的東西，然后也感覺自己很厲害，但這只是錯覺而已。

　　入門應該學習盡量簡單的東西，要么專心學習ARM，要么專心學習FPGA。這樣更容易有成就感，增強信心。

　　ZYNQ和SOC的應用領域并不廣，還有很多人沒聽過這種東西，導致求職的不利。

　　開發工具編譯時間長，浪費較多時間。

　　絕大多數工作，都只是負責一方面，也就是說另一方面，很有可能派不上用場。

　　c、為什么已經存在那么多IP核，仍然需要寫HDL?

　　問這種問題的，一般是學生，他們沒有做過產品，沒有遇到過工程上的問題。

　　IP核并非萬能，不能滿足所有需求。

　　盡量少用閉源IP核，一旦出問題，這種黑匣子很可能讓產品難產。

　　深入理解底一層次，可以更好地使用高一層次。該法則可以適用于所有編程語言。